雙饋風力發電機轉子槽楔強度的校核分析

吳 冰，王建良

(1.湖南鐵道職業技術學院，株洲 412001；2.中國中車株洲電機有限公司，株洲 412001)

0 引 言

隨著風力發電的快速發展以及其在電力需求中所占比例的提升，風力發電也遭遇到了風電制造技術、電力輸出、市場等瓶頸，其中風電制造技術中亟需解決的重大技術問題之一就是風電機組的低電壓穿越問題。

低電壓穿越是指風力發電機在電網電壓降低到一定程度的情況下，不脫離電網而繼續維持并網運行，甚至還可為電網提供一定的無功功率，以幫助系統恢復電壓，從而度過這個低電壓故障時段。

根據雙饋風力發電機組低壓穿越技術研究報告[1]，其中一種低電壓的原因是電網突發兩相或三相短路而引起網壓陡降。此時，通過風力發電機轉子線圈的電流約為額定電流的10倍，這可能會導致發電機某些機械部件的損壞或機械壽命的縮短[2]。因此，有必要對發電機在低電壓穿越時的本體機械強度進行研究。

對于發電機而言，轉子槽楔與轉子沖片配合處是機械強度較薄弱的環節。同時，該處應力分布復雜，需要借助專用軟件才能進行較準確的機械強度分析，從而找出潛在的危險部位。

本文以某型號1.5 MW雙饋風力發電機為例，利用Workbench軟件，對其轉子槽楔機械結構強度進行靜強度分析，以驗證轉子槽楔結構強度是否滿足發電機低電壓穿越的要求。

1 理論分析

轉子結構包括轉子鐵心沖片、轉子導條及外包絕緣、槽楔、墊條等。發電機在旋轉工作時，槽楔的受力來自兩個方面：一是由槽內載流導體所受電磁力傳導過來的一部分力，上層為F1，下層為F2，如圖1所示；二是槽內導體(包括層件墊條及絕緣等)及槽楔本身由于發電機旋轉產生的作用在槽楔上的離心力。本文對安培電磁力及離心力分別進行了分析。

圖1 槽楔及導條受安培電磁力示意圖

1)安培電磁力

在不同的工況下，電磁力的作用是不同的。如發電機在低電壓穿越(三相對稱跌落)時，轉子繞組三相電流約為額定電流的2倍；當轉子繞組發生兩相、三相短路時，會產生約額定電流10倍大小的沖擊電流。

下面以某型號雙饋風力發電機為例，其額定轉子電流I=782 A，則Ip=7 820 A，槽寬bN=0.013 5 m，則電磁力Fsm=1 138 N/m=11.38 N/cm。

2)槽內導體等離心力

轉子槽形及槽楔尺寸如圖2、圖3所示。

圖2 轉子槽形(單位：mm)

圖3 轉子槽楔尺寸圖(單位：mm)

轉子導條的規格為4.7 mm×40 mm，每槽為4根，則槽內導條截面積A1=752 mm2=7.52 cm2。

槽內(不包括槽楔及槽口部位)其余的部分統一視為絕緣材料，其所占面積為A2，則A2=456.25 mm2=4.56 cm2。

每厘米軸向長度導條質量：

G1=ρ1·A1=66.9 g=66.9×10-3kg/cm

每厘米軸向長度絕緣材料(包括層間墊條、楔下墊條及槽絕緣等)質量：

G2=ρ2·A2=11.4 g=11.4×10-3kg/cm

每厘米軸向長度槽楔的質量(槽楔截面積A3=0.642 cm2)

G3=ρ3·A3=1.28 g=1.28×10-3kg/cm

將G1、G2和G3合計在一起，發電機額定轉速為1 200 r/min，過速取1 440 r/min(1.2倍額定轉速)，則每厘米轉子線圈離心力[4]：

Fsm+G≈657 N/cm

綜合以上分析，作用到轉子槽楔上的最大力約為657 N/cm。

2 模型的選取及簡化

發電機轉子沖片共81槽，每槽分布1根槽楔。分析槽楔強度，只需對其中一個槽內的槽楔進行分析即可。在沖片的每個槽內，導條外包絕緣后與槽楔接觸，轉子在旋轉時，導條及絕緣等將受離心力而朝槽楔一側擠緊，在這一過程中，導條也會受到槽內兩側的摩擦力，絕緣材料近似于非線性彈性材料，所以外包絕緣的導條與沖片的摩擦關系非常復雜。此外，槽楔本身也是一種非線性材料，其與槽口部位沖片的接觸也是一種非線性接觸。

綜上所述，槽楔實際的結構非常復雜，電機旋轉時，轉子導條在槽內的受力情況也非常復雜。為了便于研究，我們對槽楔及與槽楔相關零部件的結構進行了簡化處理，忽略影響較小的因素，只研究電機在低電壓穿越時，對轉子導條影響比較大的槽楔結構。

模型簡化后，將槽楔視作線性材料，轉子鐵心視作一個整體，不再是由一塊塊厚0.5 mm的硅鋼片疊壓而成，同時將導條及絕緣等的離心力直接施加到轉子槽楔上，分析槽楔的受力情況。簡化后的模型如圖4所示，模型中沖片厚度取10 mm。

圖4 轉子槽楔受力分析簡化模型

3 分析需求數據的準備

項目的整個輸入需求包括：

(1)發電機轉子沖片、槽楔、導條的幾何模型；

(2)發電機轉速；

(3)材料屬性(包括楊氏模量，屈服強度，抗拉強度等)；

(4)槽楔及導條在發電機實際運行中的受力情況，即所有工況邊界條件和載荷情況。

主要部件的材料性能如表1所示。

表1 主要部件的材料性能

4 網格劃分及參數設置

在Workbench下，完成建模后，以帶中間節點的六面體單元為主，局部輔以中間節點四面體單元進行網格劃分。模型的網格劃分如圖5所示。

圖5 轉子槽楔簡化模型的網格劃分

網格劃分后，進行各項參數設置。

(1)槽楔與沖片的接觸設置

槽楔嵌入到沖片槽內后，它與沖片是緊密接觸的，在轉子旋轉過程中，槽楔與沖片是沒有相對滑動的。因此，可以用Rough來表示槽楔與沖片的接觸類型，相當于槽楔與沖片的摩擦系數為無窮大。在簡化計算的情況下，可以將槽楔與沖片的接觸關系設為Bonded。

(2)邊界條件和載荷設置

模型簡化后，轉子旋轉時產生的離心力將直接加載到槽楔上，因此在邊界條件和載荷設置時，將不需要對模型施加旋轉速度，如圖6所示。

圖6 邊界條件和載荷的施加

5 結果分析

圖7為槽楔與沖片分別設置為Bonded和Rough兩種不同的接觸類型下的分析結果。由圖7可知，兩種情況的應力分析結果比較接近。

圖7 轉子槽楔應力分布云圖

由圖7可知，最大應力發生在槽楔與沖片槽的軛部，最大應力約52 MPa(接觸類型Bonded)或45.76 MPa(接觸類型Rough)，遠小于沖片的彎曲強度275 MPa。

可見，無論理論計算，還是有限元分析，槽楔的應力都遠小于槽楔材料的彎曲強度，槽楔強度滿足發電機運行要求。

在實際模型中，導條是嵌入到槽內的，導條的兩側與槽壁存在一定的脹緊量，且隨著轉子導條的發熱，該脹緊量會變大。此外導條兩端有無緯帶的綁扎固定及上下層導條的連接作用，所以實際施加到轉子槽楔的作用力要比模型中的力小，槽楔及沖片所受應力也將小于分析中的應力。

6 結 語

從以上有限元分析結果來看，該型號雙饋風力發電機在低電壓穿越情況下，槽楔雖然局部應力較大，但均小于槽楔材料的彎曲強度。該槽楔強度可以滿足發電機正常運行及低電壓穿越時的運行要求。